CC BY
65
УДК 504.61; 502:63
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ НА ЗДОРОВЬЕ ГОРОЖАН
© 2008 г. И.А. Ильченко
Таганрогский институт управления и экономики, Taganrog Institute of Management and Economics,
347900, г. Таганрог, ул. Петровская, 45, 347900, Taganrog, Petrovskaya St., 45,
[email protected] [email protected]
Разработана когнитивная модель химического и шумового загрязнения городской среды обитания (на примере г.Таганрога) в нединамических условиях и проведено моделирование влияния загрязнения воздуха, почв, питьевой воды и состояния растительности на абиотические компоненты урбоэкосистемы и здоровье горожан. Предложены методы управления параметрами состояния городской экосистемы с целью улучшения здоровья горожан.
Ключевые слова: экологические факторы, городская экосистема, загрязнение, когнитивная модель.
Cognitive model for the influence of local chemical and noise pollution of urban ecological system (on example Taganrog) has been elaborated. Cognitive model-based analysis of the influence of air pollution level, soil, drinking water and vegetation state on unbiological parts studying system and health of city-dwellers has been carried out. The management methods of urban ecological systems state parameters have been developed in order to improve the health of the city-dwellers.
Keywords: ecological factors, urban ecosystem, pollution, cognitive model.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности любому организму необходим комплекс экологических факторов, каждый из которых должен принимать значения в диапазоне зоны толерантности. Человеческому организму эти факторы предоставляет среда обитания, условия которой существенно различаются для городских и сельских жителей. Городская экосистема является менее благоприятным местообитанием, так как здесь, с одной стороны, человек настолько радикально изменяет природную среду, что она становится искусственной, а с другой - сам становится реципиентом сильнейшего антропогенного воздействия [1]. Важнейшими факторами городской среды для жизнедеятельности человека являются качество атмосферного воздуха и питьевой воды, уровни загрязнения почв и шума, чем и определяется их значимость для здоровья городского населения [2-6]. Поэтому изучение влияния основных экологических факторов городской экосистемы на здоровье горожан и установление возможности и характера управляющих воздействий по обеспе-
чению благоприятной среды обитания представляет особый интерес.
Для решения поставленной задачи была разработана модель на основе взвешенного орграфа (рис. 1) и проведено ситуационное моделирование с помощью вычислительных программ ПС КМ [7-9], а в качестве контролируемых параметров были выбраны главные показатели состояния городской среды обитания -химическое загрязнение воздуха (вершина VI), химическое загрязнение почв (вершина v4), состояние растительности (вершина v3) и здоровье населения (вершина v2).
В модели присутствуют девять вершин, которые соответствуют основным компонентам и факторам урбоэкосистемы г. Таганрога. Так, источники питьевого водоснабжения горожан представлены тремя вершинами уб, у7 и у8, поскольку водообеспечение г. Таганрога осуществляется одновременно от двух поверхностных (р. Дон и Миус) и одного подземного (городские артезианские скважины) источников, объединенных в кольцевую систему с целью разбавления мягкой
донской водой более жесткой миусской и артезианской воды. Плотная городская застройка, недостаточное количество озелененных территорий, насыщенность улиц транспортными потоками обусловливает шумовое загрязнение города (вершина у9), которое негативно воздействует на нервную систему человека и приводит к бессоннице и неспособности сосредоточиться, снижению производительности труда и другим отрицательным последствиям [1, 4-6, 10].
Рис. 1. Когнитивная модель «Комплексное влияние факторов городской экосистемы на здоровье горожан»
Из рис. 1 видно, что модель «Комплексное влияние основных факторов городской экосистемы на здоровье горожан» характеризуется наличием четырех циклов с положительной обратной связью (у1-уЗ-VI, VI^4^1, v3-v4-v3, v1-v4-v3-v1), благодаря которым происходит внутренний перенос химических загрязнителей, а также девятью собственными числами, из которых максимальное по модулю составляет 0,58 и позволяет ожидать проявления системой устойчивости [11]. Значения весовых коэффициентов дуг были определены на основе среднемноголетних данных социально-гигиенического и экологического мониторинга г. Таганрога (таблица) [10, 12-15]. Кроме того, сама модель и проведенное ситуационное моделирование являются нединамическими, так как не учитывают движения воздушных масс и обусловливаемый ими перенос загрязнителей.
Для изучения комплексного влияния факторов городской экосистемы на здоровье горожан было проведено моделирование по 9 сценариям, наиболее интересные из которых приведены на рис. 2-5: ось абсцисс отражает такты моделирования, а ось ординат - амплитуды изменения контролируемых параметров по отношению к величине внесенного импульса. Исходные уровни загрязнения воздуха, почв, состояния растительности и здоровья населения приняты за фоновые.
В сценарии 1 изучалось одновременное влияние внутренних и внешних источников антропогенного воздействия на городскую экосистему и проживающих в ней людей. Внешними источниками являются предприятия, расположенные вне городской черты, пригородное сельское хозяйство, водоемы и водотоки хозяйственно-питьевого, рекреационного и рыбохозяйствен-ного назначения, воздушный транспорт и процессы трансграничного переноса загрязнителей в атмосфере и гидросфере, которые оказывают влияние на внешнюю по отношению к городу среду и вызывают ухудшение
качества продуктов питания, питьевой воды и рекреационных ресурсов. В роли внутренних источников антропогенного загрязнения выступают автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленность, строительство, жилищно-коммунальное и коммунально-складское хозяйство, обусловливающие негативное изменение абиотических и биотических компонентов городской экосистемы. На 1-м такте этого сценария активизируются вершины V! v7, v8 и v9 внесением в них импульсов q1 = q7 = q8 = q9 = +0,1, что приводит к увеличению уровней загрязнения воздуха и почв и ухудшает состояние здоровья населения (рис. 2). Стабилизация уровней загрязнения воздуха и почв происходит при более высоких, а состояния растительности и здоровья населения, наоборот, при более низких значениях по сравнению с исходными, принятыми за фоновые.
Весовые коэффициенты дуг когнитивной модели
Вершины дуги Весовой коэффициент
v1. Загрязнение воздуха v2. Здоровье населения - 0,4
v1. Загрязнение воздуха v3. Состояние растительности - 0,4
v3. Состояние растительности v1. Загрязнение воздуха - 0,2
v1. Загрязнение воздуха v4. Загрязнение почв 0,7
v4. Загрязнение почв v3. Состояние растительности - 0,3
v4. Загрязнение почв v5. Загрязнение грунтовых вод 0,5
v5. Загрязнение грунтовых вод v6. Загрязнение подземных вод 0,5
v6. Загрязнение подземных вод v2. Здоровье населения - 0,3
v4. Загрязнение почв v1. Загрязнение воздуха 0,2
v3. Состояние растительности v4. Загрязнение почв -0,1
v3. Состояние растительности v2. Здоровье населения -0,1
v7. Загрязнение донской воды v2. Здоровье населения -0,2
v8. Загрязнение миусской воды v2. Здоровье населения -0,3
v9. Шумовое загрязнение v2. Здоровье населения -0,3
В сценарии 2 исследовалось влияние мероприятий по озеленению городской территории = +0,1) на состояние контролируемых параметров в условиях функционирования внутренних и внешних источников антропогенного загрязнения ^ = q7 = q8 = q9 = +0,1) (рис. 3). Растительность является важным элементом природного каркаса города, поскольку выполняет такие важные средоформирующие функции, как создание микроклимата, поддержание газового баланса в воздухе, рекреация и др. Зеленые насаждения насыщают воздух полезными веществами: фитонцидами, легкими отрицательными ионами и т.п. [1]. Результаты моделирования показывают, что по сравнению с
предыдущим сценарием проведенное природоохранное мероприятие способствует снижению уровня загрязнения воздуха и почв (примерно на 30 % для каж-
- Загрязнение воздуха
........ Здоровье населения
---- Состояние растительности
- Загрязнение поче
0,138 0,108 0,078 0,047 0,017 -0,013 -0,043 -0,074 -0,194 -0,134
;
"Г\'Т
\ \
\ - -"-i - - _ _ _
V-'i---:....
дого параметра) и практически не влияет на здоровье горожан.
- Загрязнение воздуха
....... Здоровье населения
---- Состояние растительности
- Загрязнение почв
0,107 0,077 0,047 0,018 -0,012 -0,042 -0,072 -0,102 -0,132
10 11 12
01234567
9 10
Рис. 2. Внесение импульсов q1=+0,1, q7=+0,1, q8=+0,1 и Рис. 3. Внесение импульсов q1=+0,1, q3=+0,1, q7=+0,1, q9=+0,1 в вершины v1, v7, v8 и v9 (сценарий 1) q8=+0,1, q9=+0,1 в вершины v1, v7, v8, v9 (сценарий 2)
- Загрязнение воздуха
—.....Здоровье населения
---- Состояние растительности
-Загрязнение почв
- Загрязнение воздуха
-------- Здоровье населения
---- Состояние растительности
-Загрязнение поче
0,107 0,095 0,083 0,071 0,059 0,047 0,035 0,022 0,010 -0,002
Рис. 4. Внесение импульсов q1=+0,1, q3=+0,1, q6=—0,1, q7=—0,1, q8=-0,1 и q9=+0,1 в вершины v1, v3, v6, v7, v8 и v9 (сценарий 3)
Сценарий 3 моделирует ситуацию, когда предпринимаются попытки управлять состоянием урбоэкосистемы путем непосредственного снижения одних неблагоприятных факторов (осуществляется очистка питьевой воды из подземных и поверхностных источников (q6 = q7 = q8 =- 0,1), благоустраивается городская территория посредством озеленения (q3 = +0,1)) при усилении влияния других (увеличиваются загрязнение воздуха и уровень шума (q1 = q9 = +0,1) (рис. 4). Доказано [4, 5, 10], что качество питьевой воды оказывает большое влияние на человека: высокая жесткость воды увеличивает риск возникновения у населения мочекаменной и желчнокаменной болезней, нитраты провоцируют развитие онкологических заболеваний внутренних органов, в частности, рака желудка и т.п. Однако результаты моделирования демонстрируют малую эффективность таких управленческих решений: амплитуды стабилизации изучаемых экологических условий городской среды обитания остаются на том же уровне, что и в сценарии 2, тогда как здоровье горожан стабилизируется на почти исходном фоновом уровне.
Рис. 5. Внесение импульсов q1=-0,1, q3=+0,1, qб=-0,1, q7=-0,1, q8=-0,1 и q9=-0,1 в вершины у1, у3, уб, у7, у8 и у9 (сценарий 4)
Сценарий 4 заключается в моделировании комплексного подхода в управлении качеством городской среды обитания (рис. 5): q1 = -0,1, qз = +0,1, qб = q7 = q8 = q9 = =- 0,1, - и по сравнению со сценариями 2 и 3 позволяет обеспечить наиболее благоприятные условия жизни горожан. Действительно, уровни загрязнения воздуха и почв существенно понижаются по сравнению с исходными, состояние растительности, а следовательно, и здоровье городского населения улучшается.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что в городской экосистеме присутствуют 4 цикла с положительной обратной связью (у1-у3-у1, у1-у4-у1, у3-у4-у3, у1-у4-у3-у1), которые отражают сложный характер взаимодействия аэро-, гео-, гидро- и растительной подсистем городской экосистемы в процессе распространения химических загрязнителей, обусловливающий усиление внешнего возмущения, вносимого загрязнением воздуха в состояние зеленых насаждений, почв, подземных вод и самого воздуха благодаря взаимному сопряжению этих четырех циклов.
Максимальное по модулю число из собственных чисел матрицы отношений равно 0,58 и свидетельствует о некоторой устойчивости городской экосистемы, которая проявляется в стабилизации контролируемых параметров после однократно внесенного импульса спустя несколько тактов моделирования.
В рассмотренных сценариях моделирования поведения городской экосистемы в условиях антропогенной нагрузки значительный вклад в неблагополучие городской среды обитания вносит химическое загрязнение воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, а также шумовое загрязнение, основными источниками которых на локальном уровне являются городские промышленные предприятия и автотранспорт. На региональном уровне к источникам загрязнения воды рек Дон и Миус относятся сельское хозяйство, городские коммунально-бытовые сточные воды, промышленность и транспорт территорий, расположенных в их верхнем течении. Поэтому для достижения значительного положительного экологического эффекта в плане сохранения здоровья городского населения и снижения заболеваемости, обусловленной неблагоприятными экологическими факторами, необходимо объединять усилия муниципальных и региональных природоохранных служб. На муниципальном уровне следует рекомендовать комплексный подход к обеспечению приемлемого качества городской среды обитания, так как антропогенное загрязнение урбоэкосистемы вызывает непосредственные и опосредованные изменения в состоянии всех компонентов природной подсистемы и оказывает сильное негативное влияние на здоровье горожан.
Литература
1. Владимиров В.В. Урбоэкология. М., 1999.
Поступила в редакцию_
2. Ильченко И.А. Управление качеством окружающей среды при химическом загрязнении. Таганрог, 2004.
3. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в биосфере. М., 2003.
4. Егорова И.П. Среда обитания и здоровье населения г. Таганрога. Таганрог, 1995.
5. Экологическая эпидемиология / Под ред. Б.А. Ре-вич. М., 2004.
6. Ильченко И.А. Когнитивное моделирование взаимодействия факторов городской среды обитания и перспектив локального управления ее качеством // Вестн. Таганрогского института управления и экономики. 2006. № 2. С. 70-75.
7. Качаев С.В., Корноушенко Е.К., Максимов В.Л., Райков А.Н. Когнитивные модели и технологии интеллектуальной поддержки решений // Новая парадигма развития России (комплексные исследования проблем устойчивого развития) / Под ред. В.А. Коптюга, В.М. Матросова, В.К. Левашова. М., 1999.
8. Пьявченко О.Н. и др. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций. Таганрог, 2003.
9. Кульба В.В. и др. Сценарный анализ динамики поведения социально-экономических систем. М., 2002.
10. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность, катастрофы. М., 1982.
11. Состояние окружающей среды г. Таганрога: Сб. ст. Таганрог, 2006.
12. О состоянии окружающей среды Ростовской области в 2002 г. // Экологический вестн. Дона / Под общ. ред. С.М. Назарова. Ростов н/Д, 2003.
13. О состоянии окружающей среды Ростовской области в 2003 г. // Экологический вестн. Дона / Под общ. ред. С.М. Назарова. Ростов н/Д, 2004.
14. О состоянии окружающей среды Ростовской области в 2004 г. // Экологический вестн. Дона / Под общ. ред. С.М. Назарова. Ростов н/Д, 2005.
15. О состоянии окружающей среды Ростовской области в 2005 г. // Экологический вестн. Дона / Под общ. ред. С.М. Назарова. Ростов н/Д, 2006.
7 февраля 2008 г.
